Desde la Primera Guerra Mundial, la gran mayoría de las bajas estadounidenses en combate no provienen de heridas de bala, sino de explosiones. Hoy dia, la mayoría de los soldados usan un pesado, chaleco antibalas para proteger su torso pero gran parte de su cuerpo permanece expuesto al objetivo indiscriminado de fragmentos explosivos y metralla.

Diseñar equipos para proteger las extremidades contra las temperaturas extremas y los proyectiles mortales que acompañan a una explosión ha sido difícil debido a una propiedad fundamental de los materiales. Los materiales que son lo suficientemente fuertes para proteger contra amenazas balísticas no pueden proteger contra temperaturas extremas y viceversa. Como resultado, Gran parte del equipo de protección actual se compone de múltiples capas de diferentes materiales, conduciendo a voluminosos, equipo pesado que, si se usa en brazos y piernas, limitaría severamente la movilidad de un soldado.

Ahora, Investigadores de la Universidad de Harvard, en colaboración con el Centro de Soldados del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. (CCDC SC) y West Point, han desarrollado un peso ligero, material de nanofibras multifuncional que puede proteger a los usuarios tanto de temperaturas extremas como de amenazas balísticas.

La investigación se publica en la revista Importar .

"Cuando estaba en combate en Afganistán, Vi de primera mano cómo la armadura corporal podía salvar vidas, "dijo el autor principal Kit Parker, el Profesor de Bioingeniería y Física Aplicada de la Familia Tarr en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard y un teniente coronel en la Reserva del Ejército de los Estados Unidos. "También vi cómo los blindajes pesados ​​podían limitar la movilidad. Como soldados en el campo de batalla, las tres tareas principales son moverse, disparo, y comunicarse. Si limita uno de esos, disminuye la capacidad de supervivencia y pone en peligro el éxito de la misión ".

"Nuestro objetivo era diseñar un material multifuncional que pudiera proteger a alguien que trabaja en un entorno extremo, como un astronauta, bombero o soldado, de las diferentes amenazas a las que se enfrentan, "dijo Grant M. González, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo.

Para lograr este objetivo práctico, los investigadores necesitaban explorar la compensación entre la protección mecánica y el aislamiento térmico, propiedades arraigadas en la estructura y orientación molecular de un material.

Materiales con fuerte protección mecánica, como metales y cerámica, tienen una estructura molecular altamente ordenada y alineada. Esta estructura les permite resistir y distribuir la energía de un golpe directo. Materiales aislantes, por otra parte, tener una estructura mucho menos ordenada, lo que evita la transmisión de calor a través del material.

Kevlar y Twaron son productos comerciales que se utilizan ampliamente en equipos de protección y pueden proporcionar protección balística o térmica. dependiendo de cómo se fabriquen. Kevlar tejido, por ejemplo, tiene una estructura cristalina altamente alineada y se utiliza en chalecos protectores antibalas. Aerogeles porosos de Kevlar, por otra parte, han demostrado tener un alto aislamiento térmico.

"Nuestra idea era utilizar este polímero de Kevlar para combinar el tejido, estructura ordenada de fibras con la porosidad de los aerogeles para hacer largos, fibras continuas con espaciamiento poroso en el medio, "dijo González." En este sistema, las fibras largas podrían resistir un impacto mecánico mientras que los poros limitarían la difusión del calor ".

El equipo de investigación utilizó inmersión Rotary Jet-Spinning (iRJS), una técnica desarrollada por Parker's Disease Biophysics Group, para fabricar las fibras. En esta técnica, Se carga una solución de polímero líquido en un depósito y se expulsa a través de una pequeña abertura mediante la fuerza centrífuga mientras el dispositivo gira. Cuando la solución de polímero sale disparada del depósito, primero pasa por una zona al aire libre, donde los polímeros se alargan y las cadenas se alinean. Luego, la solución golpea un baño líquido que elimina el solvente y precipita los polímeros para formar fibras sólidas. Dado que el baño también está girando, como el agua en una centrifugadora de ensaladas, las nanofibras siguen la corriente del vórtice y se envuelven alrededor de un colector giratorio en la base del dispositivo.

Al ajustar la viscosidad de la solución de polímero líquido, los investigadores pudieron girar mucho, nanofibras alineadas en láminas porosas, lo que proporciona suficiente orden para proteger contra proyectiles pero suficiente desorden para proteger contra el calor. En unos 10 minutos, el equipo podía girar hojas de unos 10 por 30 centímetros de tamaño.

Para probar las sábanas, el equipo de Harvard recurrió a sus colaboradores para realizar pruebas balísticas. Investigadores de CCDC SC en Natick, Massachusetts simuló el impacto de metralla disparando grandes Proyectiles tipo BB en la muestra. El equipo realizó pruebas intercalando las láminas de nanofibras entre láminas de Twaron tejido. Observaron poca diferencia en la protección entre una pila de todas las hojas tejidas de Twaron y una pila combinada de Twaron tejida y nanofibras hiladas.

"Las capacidades del CCDC SC nos permiten cuantificar los éxitos de nuestras fibras desde la perspectiva de los equipos de protección para combatientes, específicamente, "dijo González.

"Colaboraciones académicas, especialmente aquellos con universidades locales distinguidas como Harvard, Brindar a CCDC SC la oportunidad de aprovechar la experiencia y las instalaciones de vanguardia para aumentar nuestras propias capacidades de I + D. "dijo Kathleen Swana, investigador de CCDC SC y uno de los autores del artículo. "CCDC SC, en cambio, proporciona una valiosa experiencia científica y centrada en el soldado y capacidades de prueba para ayudar a impulsar la investigación ".

En las pruebas de protección térmica, los investigadores encontraron que las nanofibras proporcionaban 20 veces la capacidad de aislamiento térmico de Twaron y Kevlar comerciales.

"Si bien se pueden realizar mejoras, hemos superado los límites de lo posible y hemos comenzado a mover el campo hacia este tipo de material multifuncional, "dijo González.

"Hemos demostrado que se pueden desarrollar tejidos de alta protección para las personas que trabajan en peligro, ", dijo Parker." Nuestro desafío ahora es convertir los avances científicos en productos innovadores para mis hermanos y hermanas de armas ".

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha presentado una solicitud de patente para la tecnología y está buscando activamente oportunidades de comercialización.